沙基型浅埋煤层保水开采技术及其适用条件分类

论文摘要

我国西部煤炭开发区具有煤层浅埋、水资源短缺、环境脆弱的特征,在大规模开采条件下,保水开采是一事关西部矿区可持续发展的核心保障技术。论文深入分析了国内外研究现状,并基于神东煤田的地质条件,采用理论分析、物理模拟、数值计算、三维固液耦合模拟等方法和手段,对浅埋煤层覆岩移动规律和裂隙分布特征进行了综合研究,从理论上分析了浅埋煤层保水开采的机理,由此确定了保水开采的关键,找出了浅埋煤层保水开采的基本条件,初步形成了一套以工作面快速推进、工作面有效支护及工作面局部防渗处理为核心的浅埋煤层保水开采技术。在此基础上,进一步对沙基型浅埋煤层保水开采适用条件进行了细致地分类,计算并开发了各分类相应的技术工艺与参数,并将其成功应用于保水开采的工程实践。主要研究成果如下:(1)初步形成沙基型浅埋煤层保水开采的分类体系。尝试采用多因素综合指标分析方法,对浅埋煤层保水开采条件进行分类。以裂隙带高度作为综合指标,以岩层综合强度、岩体完整性指数、采动影响指数作为相关因素,推导出长壁工作面和短壁工作面导水裂隙带高度的计算公式,并根据覆岩裂高、岩柱与基岩厚度的不同,把沙基型浅埋煤层划分为三个类别、七个区域(安全防水区、长壁容易区、长壁中等区、长壁困难区、短壁多硐连续区、短壁多硐间隔区、短壁单一采硐区)。(2)初步形成沙基型浅埋煤层保水开采的技术体系。首次提出“渗流确定采速”的方法和开切眼处“台阶式渐进开采”方式,创新出短壁连采工作面三种布置模式:多硐连续式、多硐间隔式、单一采硐式,并针对保水开采各分类的特征,确定出相应的技术工艺与参数。研究表明:长壁面保水开采适宜速度为10～25 m/d、切眼台阶渐进范围大于200 m、采高4.0～6.0 m、支护阻力为5000～8500 kN;短壁面保水开采适宜速度大于35 m/d、台阶渐进范围大于150 m、采高为3.0～6.0 m、支护阻力为7500～9500 kN。(3)沙基型浅埋煤层保水开采的分类体系与技术体系在神东矿区浅埋煤层32201、12404工作面保水开采工程实践中的应用表明:采动对上覆含水层的超前影响范围一般为20.0 m,水位受采动影响下降5～10 m左右,最大下降幅度4 m/d左右;采后3～4 d水位便开始回升,在4～15 d内水位回升最快,回升率0.1～0.3 m/d,50 d左右便基本趋于稳定。工作面安全推过强富水区。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 保水开采的意义
• 1.1.1 水资源概况
• 1.1.2 陕蒙浅埋煤层开采区生态环境概况
• 1.1.3 浅埋煤层开采规模
• 1.1.4 传统煤矿开采模式对水资源及环境的影响
• 1.1.5 保水开采是浅埋煤层开发的关键
• 1.2 保水开采技术适用条件分类的意义
• 1.3 保水开采技术的理论及研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 保水开采条件分类方面的研究空间
• 1.4 论文研究的核心、方法与思路
• 1.4.1 研究核心
• 1.4.2 研究方法与技术路线
• 1.5 本章小结
• 2 沙基型浅埋煤层地质条件及开采技术条件特征
• 2.1 地理地形特征
• 2.2 地层特征
• 2.2.1 完整地层
• 2.2.2 煤系地层
• 2.2.3 基岩岩层
• 2.3 水文地质特征
• 2.3.1 大气降水
• 2.3.2 地表水
• 2.3.3 地下水
• 2.3.4 矿井水
• 2.4 开采技术状况
• 2.4.1 大采高综采技术
• 2.4.2 短壁机械化连采技术
• 2.5 本章小结
• 3 沙基型浅埋煤层保水开采机理及技术
• 3.1 保水开采的目标含水层
• 3.1.1 沙基型浅埋煤层的含义
• 3.1.2 目标含水层
• 3.2 沙基型浅埋煤层采动覆岩裂隙分布特征分析
• 3.2.1 沿层面方向的岩层移动与裂隙分布特征分析
• 3.2.2 沿垂直层面方向的岩层移动与裂隙分布特征分析
• 3.2.3 采动覆岩裂隙分布特征的耦合模拟分析
• 3.2.4 浅埋煤层上覆岩层采动裂隙分布特征分析结论
• 3.3 上覆岩层渗流特征
• 3.3.1 岩体裂隙
• 3.3.2 裂隙岩体中地下水运动规律
• 3.3.3 渗流的影响因素
• 3.4 保水开采机理分析
• 3.4.1 单一关键层保水开采机理
• 3.4.2 主亚关键层保水开采机理
• 3.5 保水开采技术
• 3.5.1 保水开采的关键
• 3.5.2 浅埋煤层保水开采的成套技术
• 3.6 本章小结
• 4 沙基型浅埋煤层保水开采分类体系
• 4.1 保水开采分类方法及分类指标
• 4.1.1 保水开采分类方法
• 4.1.2 综合分类指标
• 4.1.3 综合分类指标的相关因素
• 4.1.4 综合分类指标计算公式
• 4.1.5 参数的确定
• 4.1.6 综合分类指标计算结果
• 4.2 保水开采适用条件分类
• 4.2.1 浅埋煤层开采方法的界定
• 4.2.2 浅埋长壁工作面保水开采区域再划分
• 4.2.4 浅埋煤层保水开采分类体系
• 4.3 本章小结
• 5 沙基型浅埋煤层保水开采技术体系
• 5.1 保水开采分类条件中开采高度的确定
• 5.1.1 长壁工作面采高的确定
• 5.1.2 短壁工作面采高的确定
• 5.1.3 浅埋煤层保水开采各分类采高选取结果
• 5.2 保水开采分类条件中开采速度的确定
• 5.2.1 渗流速度
• 5.2.2 关键层破断距的计算
• 5.2.3 各分类开采速度的确定
• 5.2.4 以开采速度确定工作面长度范围
• 5.3 保水开采分类条件中顶板支护力的确定
• 5.3.1 浅埋煤层长壁工作面支架支护力计算
• 5.3.2 浅埋煤层短壁工作面支架支护力计算
• 5.3.3 保水开采条件中各分类的支架支护力选取结果
• 5.4 保水开采分类条件中的局部处理措施
• 5.4.1 开切眼处的处理措施
• 5.4.2 各分类保护煤柱的确定
• 5.4.3 基岩厚度变化频度较大区域的注浆处理
• 5.5 沙基型浅埋煤层保水开采技术体系
• 5.6 本章小结
• 6 沙基型浅埋煤层保水开采技术体系及分类体系工程实践
• 6.1 补连塔煤矿32201 工作面保水开采实测分析
• 6.1.1 工作面水文与地质概况
• 6.1.2 保水开采类别及技术参数的确定
• 6.1.3 地面水位观测孔布置
• 6.1.4 水文观测孔资料分析
• 6.1.5 补连塔32201 工作面保水开采结论
• 6.2 大柳塔煤矿12404 工作面保水开采实测分析
• 6.2.1 工作面水文与地质概况
• 6.2.2 保水开采类别及技术参数的确定
• 6.2.3 地面水位观测孔布置
• 6.2.4 水文观测孔资料分析
• 6.2.5 大柳塔12404 工作面保水开采结论
• 6.3 保水开采分类体系及技术体系的应用效果
• 6.4 本章小结
• 7 主要结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集